Onderzoekers van de North Carolina State University hebben een microfluïdisch systeem ontwikkeld voor het synthetiseren van perovskiet-kwantumstippen over het hele spectrum van zichtbaar licht. Het systeem verlaagt de productiekosten drastisch, kan op aanvraag worden afgestemd op elke kleur en maakt realtime procesbewaking mogelijk om kwaliteitscontrole te garanderen.

In de afgelopen twee decennia, colloïdale halfgeleider nanokristallen, bekend als quantum dots (QD's), zijn naar voren gekomen als nieuwe materialen voor toepassingen variërend van biologische detectie en beeldvorming tot LED-displays en het oogsten van zonne-energie. Het nieuwe systeem kan worden gebruikt om continu hoogwaardige QD's te produceren voor gebruik in deze toepassingen.

"We noemen dit systeem de Nanocrystal (NC) Factory, en het bouwt voort op het NanoRobo microfluïdische platform dat we in 2017 hebben onthuld, " zegt Milad Abolhasani, een assistent-professor chemische en biomoleculaire engineering bij NC State en corresponderende auteur van een paper over het werk.

"We kunnen niet alleen de QD's in elke kleur maken met behulp van een continue productiebenadering, maar het NC Factory-systeem is zeer modulair, " zegt Abolhasani. "Dit betekent dat, gekoppeld aan continue procesbewaking, het systeem maakt het mogelijk om indien nodig wijzigingen aan te brengen om de batch-tot-batchvariatie te elimineren die een aanzienlijk probleem kan zijn voor conventionele QD-productietechnieken. Aanvullend, de chemie die we in dit werk hebben ontwikkeld, maakt het mogelijk dat de perovskiet QD-verwerking bij kamertemperatuur plaatsvindt."

De fluorescentiekleur van QD's is een resultaat van de chemische samenstelling, de grootte, en de manier waarop de nanokristallen worden verwerkt. De originele QD-synthesestrategie die in het NanoRobo-systeem werd gebruikt, maakte de synthese op kamertemperatuur mogelijk van groene emitterende perovskiet-QD's, die zijn gemaakt met cesium-loodbromide. NC Factory begint met cesium-loodbromide-perovskiet-kwantumdots, maar introduceert vervolgens verschillende halogenidezouten om hun fluorescentiekleur nauwkeurig af te stemmen over het hele spectrum van zichtbaar licht. Anionen in deze zouten vervangen de broomatomen in de groen-emitterende stippen door jodiumatomen (om naar het rode einde van het spectrum te gaan) of chlooratomen (om naar blauw te gaan).

"Omdat de NC-fabriek zowel de chemische samenstelling als de verwerkingsparameters nauwkeurig kan controleren, het kan worden gebruikt om perovskiet-kwantumdots continu te produceren in elke kleur met de hoogste kwaliteit, ' zegt Abolhasani.

Het NC Factory systeem bestaat uit drie "plug and play" modules. De onderzoekers ontwikkelden een voormengmodule om het mengen van halogenidezouten en kwantumdots te versnellen, om de productkwaliteit te verbeteren. Het systeem bevat ook een snelheidssensor waarmee gebruikers de reactietijden nauwkeurig kunnen volgen. De gesynthetiseerde QD's worden vervolgens in situ gecontroleerd met behulp van de NanoRobo-module voor procesbewaking.

"Vanuit wetenschappelijk oogpunt het NC Factory-systeem stelde ons in staat te ontdekken dat dit halide-uitwisselingsproces in drie fasen plaatsvindt, " zegt Abolhasani. "Dat is heel belangrijk voor een beter begrip van het reactiemechanisme. Maar het systeem kan ook van invloed zijn op praktische problemen met betrekking tot toepassingen en productie van kwantumdots."

Bijvoorbeeld, perovskiet-kwantumdots zijn aantrekkelijk voor de zonne-energie-industrie vanwege hun efficiëntie, maar ze zijn nog steeds te duur om op grote schaal te worden toegepast. En meer dan 60 procent van die kosten wordt toegeschreven aan productiearbeid.

"Het NC Factory-systeem zou veel minder arbeid vergen om continu te werken, ", zegt Abolhasani. "We schatten dat het systeem de totale productiekosten met minstens 50 procent zou kunnen verlagen. Het zou de productiekosten van QD's voor elke toepassing moeten verlagen en zou op zijn minst de kwaliteit van de kwantumdots moeten behouden, zo niet verbeteren.

"We hebben een patent ingediend voor het systeem, en werken samen met branchegenoten om de technologie te commercialiseren, ' zegt Abolhasani.

De krant, "Gemakkelijke anionenuitwisselingsreacties op kamertemperatuur van anorganische perovskiet Quantum Dots mogelijk gemaakt door een modulair microfluïdisch platform, " is gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde functionele materialen . Co-eerste auteurs zijn Kameel Abdel-Latif en Robert Epps, wie zijn Ph.D. studenten in chemische en biomoleculaire engineering aan NC State. Het papier is co-auteur van Corwin Kerr, een student aan de NC State; Christoffel Papa, een doctoraat student scheikunde aan NC State; en Felix Castellano, de Goodnight Innovation Distinguished Chair of Chemistry bij NC State.